強度等級對混凝土動態抗壓特性的影響分析

王 濤

（石家莊市西柏坡高速公路管理處，河北 石家莊 050000）

0 引言

混凝土是一種由骨料、水泥、砂子、水以及外加劑經均勻攪拌而成的一種混合料，混凝土在現代結構工程中應用非常廣泛，幾乎涵蓋土木工程的全部領域。混凝土在動力荷載作用下的力學特性與靜荷載下的特性具有很大的差別，如何明確混凝土在動態荷載作用下的力學特性，以保證其在結構工程使用中的安全性，需要深入研究。因此，研究動態作用下混凝土在實際工程中的受力性能至關重要[1]。

1 混凝土單軸動態抗壓特性試驗

1.1 試驗試件

混凝土采用小型攪拌機自行攪拌。水泥采用奎山P.O42.5普通硅酸鹽水泥，細骨料為級配Ⅱ區中砂，粗骨料為碎石，石子最大粒徑為20mm，攪拌水為普通自來水，減水劑為高性能聚羧酸減水劑。一般試件的高寬比應為2～3，本試驗采用的試件為70mm×70mm×200mm的棱柱體，是在振動臺上振搗密實，24h后拆模，在標養室內養護28d，然后在自然條件下養護。試驗時混凝土的齡期為90±10d[2]。

1.2 試驗設備

本試驗采用美國MTS液壓伺服系統并對其進行了一定的剛性輔助改造，以保證試驗順利完成。此加載系統可以通過設定運行時間、位移對混凝土試件實行一定應變速率的加載。該設備能夠施加的最大壓力為65t[3]。

1.3 數據采集設備

本次試驗利用Strainbook/616系統作為主要的數據采集設備來采集試驗數據。該設備的最大采樣頻率為1MHz，分辨率為16bit。設備自身帶有8個通道應變信號采集能力，可以將采集的信號經過數字化轉換后送交主控制器進行存儲和數據處理[4]。

1.4 試驗方案

本試驗主要研究1×10-2/s應變速率下C30、C35、C40、C45、C50、C55混凝土的動態抗壓強度及變形特性，取C30下的抗壓強度及變形特性數值為參考量。各標號混凝土在加載速率1×10-2/s下至少試驗3個試件，因此共需要至少18個70mm×70mm×200mm的棱柱體試件。若試驗過程中發現試件的離散性較大，則增加試件數量，以保證數據的完整和準確[5]。

1.5 試驗過程

試驗之前試件的處理、設備的安裝、調試工作等都是決定試驗成功與否的關鍵因素。必須選擇表面沒有出現裂紋的試件，防止由于試件本身的強度降低引起試驗的誤差。另外，要選擇底面和頂面都光滑的試件，防止出現偏心和套箍現象。找出應變片的粘貼平面，對試件進行打磨、清洗。在處理的試件面上中心位置涂上一層AB膠水，水平方向貼上30mm×5mm的應變片，垂直方向貼上100mm×5mm的應變片。在試驗過程中，調整蝶形彈簧，使彈簧輕輕頂住，預加10kN的力，看是否有變化，并觀察兩隊應變片的變化是否滿足要求，如果不滿足則繼續調整，直到滿足條件為止。待試件位置調整完畢，卸掉預加荷載，以設定的加載速率正式加載。采樣的頻率依加載速率而定，加載至試件破壞后，拆除試件，記錄數據文件。

2 試驗結果分析

2.1 各強度等級混凝土的抗壓強度

不同應變速率下的混凝土抗壓強度試驗結果見表1、表2和圖1。

表1 應變速率為1×10-5/s時混凝土的抗壓強度（單位：MPa）

表2 應變速率為1×10-2/s時混凝土的抗壓強度（單位：MPa）

圖1 不同應變速率下混凝土的抗壓強度

分析圖1可得，應變速率為1×10-5/s時混凝土的抗壓強度作為準靜態抗壓強度，C30、C35、C40、C45、C50、C55混凝土的動態抗壓強度在應變速率增至1×10-2/s時均有較為明顯的提高，但是增大的幅度沒有一定的規律。應變速率為1×10-5/s時混凝土的抗壓強度為準靜態抗壓強度，在應變速率為1×10-2/s時相對于1×10-5/s應變速率下，各等級混凝土的抗壓強度分別增加了35.50%、35.75%、39.48%、28.56%、27.69%、20.89%。通過以上分析，可以得到初步結論：不同等級混凝土的極限抗壓強度在應變速率為1×10-2/s時增大幅度并不一樣，具有一定的離散型，隨著混凝土等級的提高，在高應變速率下混凝土抗壓強度的增長比例有降低的趨勢。

2.2 各強度等級混凝土的抗壓峰值應變

各強度等級混凝土的抗壓峰值應變試驗結果見表3、表4。

表3 應變速率為1×10-5/s時混凝土的抗壓峰值應變με

表4 應變速率為1×10-2/s時混凝土的抗壓峰值應變με

混凝土的抗壓峰值應變為混凝土的抗壓應力應變曲線上，混凝土受到最大應力時對應的最大應變。從表3、表4可以看出，荷載的應變速率會對不同等級混凝土的抗壓峰值應變產生一定的影響。一些學者（肖詩云、Dilger和Hughes）認為混凝土的極限壓應變隨著應變速率的增加而降低[6]。而另外一些研究人員（閆東明、Watstein、Takeda和Ahmad）則認為混凝土的極限壓應變隨著應變速率的增加而增加[7]。以應變速率1×10-5/s下的抗壓峰值應變為準靜態抗壓峰值應變，在應變速率1×10-2/s下，各等級混凝土的抗壓峰值應變幾乎沒有什么變化，而C45之后抗壓峰值隨著混凝土等級的提高有略微的降低，但很不明顯。這與前者的研究有很大不同。

2.3 各強度等級混凝土的抗壓彈性模量

各強度等級混凝土的抗壓彈性模量試驗結果見表5、表6和圖2。

表5 應變速率為1×10-5/s時混凝土的彈性模量（單位：1×103MPa）

表6 應變速率1×10-2/s時混凝土的彈性模量（單位：1×103MPa）

圖2 不同應變速率下混凝土彈性模量比較

彈性模量是表征混凝土剛度的技術參數，是研究混凝土結構在不同荷載作用下的變形特性必不可少的基礎參數[8-9]。從表5、表6和圖2可以看出，1×10-5/s下的彈性模量為準靜態彈性模量，在應變速率為1×10-2s時，六種不同強度等級的混凝土其彈性模量相較于應變速率為1×10-5/s時都有相應的提高，且C30、C35、C40、C45、C50、C55提高的幅度在不斷變大。根據圖表中的數據詳細計算可得，C30～C55混凝土彈性模量的增長幅度分別為：22.83%、19.21%、23.41%、21.22%、23.70%、22.22%。各級強度混凝土彈性模量在高應變速率（1×10-2s）下增加的幅度都在20%左右。

3 結論

（1）六種強度等級的混凝土其抗壓強度均隨著應變速率的增大而提高，以應變速率為1×10-5/s時的抗壓強度作為準靜態抗壓強度，在應變速率為1×10-2/s時， C30、C35、C40、C45、C50、C55混凝土抗壓強度依次增加35.50%、35.75%、39.48%、28.56%、27.69%、20.89%。

（2） 在應變速率為 1×10-2/s時，C30、C35、C40混凝土的抗壓峰值應變幾乎沒有變化，而C45、C50、C55混凝土的抗壓峰值隨著混凝土等級的提高有略微的降低。

（3）在應變速率為1×10-2s時，六種不同強度等級的混凝土其彈性模量相較于應變速率1×10-5/s下混凝土的彈性模量都有相應的提高，各級混凝土增加幅度比較穩定，C30、C35、C40、C45、C50、C55混凝土的彈性模量增加幅度分別為：22.83%，19.21%，23.41%，，21.22%，23.70%，22.22%。各級混凝土彈性模量在高應變速率（1×10-2s）下增加的幅度都在20%左右。

[1] A·M·內維爾.混凝土的性能[M].李國浮，等譯.北京：中國建筑工業出版社，1983.

[2] 孫吉書，竇遠明，周戟，等.應變速率對混凝土抗壓特性影響的試驗研究[J].混凝土與水泥制品，2011，（5）：1-3.

[3] 尚仁杰.混凝土動態本構行為研究[D].大連：大連理工大學，1994.

[4] 張學峰，夏源明.中應變率材料試驗機的研制[J].試驗力學，2001，（1）：13-18.

[5] 胡慶賢.落錘試驗的討論.火炸藥學報[J].1998，21（2）：33-35.

[6] 肖詩云.混凝土率型本構模型及其在拱壩動力分析中的應用[D].大連：大連理工大，2002.

[7] 閆東明.混凝土動態力學性能試驗與理論研究[D].大連：大連理工大學，2006.

[8] 商霖，寧建國.強沖擊荷載下混凝土動態本構關系[J].工程力學，2005，22（2）：116-120.

[9] Bischoff P H，Pery S H.Compressive behavior of concrete at high strain rates[J].Materials and Srtuctures,1991，（24）：425-450.